基于有限元橋梁伸縮縫清理器械的優化設計

王義平

(新疆奎屯公路管理局)

基于有限元橋梁伸縮縫清理器械的優化設計

王義平

(新疆奎屯公路管理局)

針對當前工作中使用的橋梁伸縮縫清理器械的缺陷，采用面向制造的先進技術，運用UG、ANSYS軟件對橋梁伸縮縫鉤刀進行了CAD/CAE建模和力學特性研究，得到了鉤刀單元的應力分布，從改善力學特性的角度提出了鉤刀的優化設計方案，優化后分析結果肯定了優化方案的可行性。

有限元;橋梁伸縮縫;清理器械;優化設計

0 引言

橋梁伸縮縫主要用來調節由車輛荷載環境特征和橋梁建筑材料的物理性能所引起的上部結構之間的位移和上部結構間的聯結。橋梁伸縮縫的養護一直是公路養護工作中的難點之一，目前市面上通常采用的方法主要有:(1)采用鐵釬將伸縮縫里面的灰塵、砂石撬出，然后用掃帚清掃;(2)首先用竹片樁的尖端把伸縮縫中的橡膠皮用力刮一遍，然后利用吹風機吹一遍;(3)采用鋼鐵等材料制作的清理工具刮除伸縮縫中雜物;(4)上海法赫公司生產的采用高壓水射流清洗伸縮縫的清洗機，75 000元/臺。從這些方法中，可以發現部分“設備”的實用性不強，工作器械較為原始，操作中對伸縮縫里的橡膠條產生損壞較大;部分較先進的設備技術性強，但經濟成本較高無法普及使用。

目前工作單位所使用的橋梁伸縮縫清理器械為2009年自行研制的的橋梁伸縮縫鉤刀，主要原理是上述第3種方法，經濟、方便，但由于設計外型使得操作中容易造成鉤刀刮傷伸縮縫中的橡膠條，以及外形的力學性能缺陷使得該器械逐漸停用。針對該問題，本文在均衡技術和經濟的條件下，采用面向制造的先進技術對鉤刀進行力學特性研究，找到鉤刀的薄弱部位并進行優化再設計。

1 本文研究的技術流程

面向制造的設計技術是先進制造技術中的主體技術，主要包含:產品、工藝過程和工廠設計;快速成型技術;并行工程等。在產品的全生命周期中為了提高產品的設計效率和質量，往往使用一些先進的工具(如CAD系統，CAE軟件等)采取協同方式對產品進行優化設計。本文采用面向制造的技術，對鉤刀的實體模型，劃分網格采用有限分析法進行研究和優化，具體流程如下:

(1)建立鉤刀的三維CAD模型;

(2)建立鉤刀的有限元模型;

(3)進行鉤刀力學特性分析;

(4)對原模型進行優化設計;

(5)對優化模型力學再分析直至消除應力集中區域;

(6)優化設計結束。

2 建立鉤刀的三維CAD模型

UG是Unigraphics Solutions公司推出的集CAD/CAM/CAE于一體的三維參數化設計軟件，在汽車、交通、航空航天、日用消費品、通用機械及電子工業等工程設計領域得到了大規模的應用。它提供了一個基于過程的產品設計環境，使產品開發從設計到加工真正實現了數據的無縫集成，從而優化了產品的設計與制造。

對伸縮縫鉤刀進行研究，首先要建立伸縮縫清理器械的三位CAD模型。根據伸縮縫鉤刀的實際尺寸和形狀，運用UG軟件建立鉤刀的三位實體模型。

3 伸縮縫清理鉤刀的有限元模型

隨著計算機的飛速發展，限元法(FEM)也得到了長足的進步和廣泛應用。有限元法的基本思想是先將求解域離散成有限個單元，用有限個單元的集合近似代替原連續求解域，對每個單元選擇一個簡單的近似場函數，建立單元節點平衡方程并求解。ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。它是由美國有限元分析軟件公司ANSYS所開發，功能強大，主要包括前處理模塊、分析計算模塊、后處理模塊。

將伸縮縫鉤刀的UG模型導入有限元軟件ANSYS中，設定屬性參數，對三位CAD模型進行網格劃分，建立鉤刀的有限元模型。

4 力學特性研究和優化設計

根據在養護作業過程中，使用鉤刀清理伸縮縫時鉤刀刀面與路面夾角的大小將影響鉤刀的整體受力情況。以成年男性使用鉤刀為例，采用有限元方法對鉤刀進行力學分析，應力范圍0 ～355.952 Pa。

從應力分布圖可見，鉤刀應力集中區域主要在刀桿頂部(載荷施加處，分析時排除)、刀桿下部的彎角部位，彎角前后部出現應力最大值約356 Pa。鉤刀清理雜物時，雜物一般較小或零碎，對刀面的破壞性極小，即使在清理重物時，刀面也不存在較大變形，不會影響刀面功能，而在重物作用下刀桿兩端受力較大，當刀桿下部達到疲勞強度極限時，在彎角部分易先出現裂紋而破壞。

在實際養護過程中發現，鉤刀刀面兩側邊會劃傷橋梁伸縮縫中的橡膠條，主要原因為刀尖尖銳易戳傷橡膠條，刀面側邊緣沒有采取倒圓設計處理，刀面側邊棱角易劃傷橡膠條。

為進一步解決實際使用過程中存在的問題，對橋梁伸縮縫鉤刀從力學性能和實用性上進行優化設計。對刀尖采取拓寬處理，刀面邊緣采用倒圓角處理，對優化后鉤刀采用同樣條件有限元分析。

優化后鉤刀的三維CAD模型，刀面前端不易因單點受力而劃傷橡膠條，且前端工作面增大將更加提高工作效率，刀面側邊緣倒圓處理能更有效地保護橡膠條。

優化后鉤刀應力集中區域主要在刀桿頂部(載荷施加處，分析時排除)。其他區域應力相對不大，優化后刀桿下部應力明顯減小，處于67～135 Pa范圍，而優化前刀桿下部應力處于158～237 Pa范圍?？梢妰灮蟮你^刀桿部應力的最大值也遠小于優化前的值，說明從力學特性來考慮該優化方案是可行的。

5 結束語

采用面向制造的先進技術對道路橋梁伸縮縫養護中實際使用的鉤刀進行了深入研究，找到了伸縮縫鉤刀的薄弱部位并進行了優化設計，這不僅有利于養護器械的技術創新，更有利于道路養護工作的高效開展。

［1］陜西公路局.公路橋涵養護規范(JTG H11－2004)［S］.2004.

［2］張世昌.先進制造技術［M］.天津大學出版社，2004:7－9.

［3］王義平，孫文磊，趙群.面向制造的技術在股骨轉子間骨折手術中的應用研究［J］.機械設計與制造，2010，(9).

U418.3

C

1008－3383(2012)08－0089－01

2012－03－28

王義平(1985－)，女，四川眉山人，研究方向:公路交調設備、養護機械的管理、維護及應用研究。